脈沖電鍍電源的工作原理及技術(shù)研究

　　3.2 電流波形

　　周期換向脈沖電流的波形一般有以下幾種：

　　3.2.1 有關(guān)斷時間的單個脈沖換向

　　一個正向脈沖之后緊接著一個反向脈沖，其波形，如圖3所示。

　　這種波形兼有脈沖和換向的優(yōu)點，但缺點是調(diào)節(jié)參數(shù)時，正、反向脈沖的導(dǎo)通、關(guān)斷時間選擇與正、反向脈沖的持續(xù)時間選擇發(fā)生沖突。因此，這種形式若作為槽外控制改善鍍層質(zhì)量的手段，其功能極不完善，在實際生產(chǎn)中極少應(yīng)用。

　　3.2.2 無關(guān)斷時間的單個脈沖換向

　　一個無關(guān)斷時間的正向脈沖后緊接著一個無關(guān)斷時間的反向脈沖，其波形，如圖4所示。正、反向脈沖持續(xù)時間通常在ms級，（如正向20ms，反向1ms），這種波形通常也稱為方波交流電，與普通正弦波交流電波形相異，但頻率大致相同，約50Hz左右。這種波形正向脈沖持續(xù)時間長、幅度小，反向脈沖持續(xù)時間短、幅度大，其反向脈沖的不均勻電流密度分布補償作用較明顯，改善鍍層厚度分布的效果較明顯。其適用于對鍍層均勻性要求較高的電鍍場合（如印刷線路板鍍銅，可明顯縮小孔內(nèi)、外鍍層厚度比）。但因其脈沖無關(guān)斷時間，且頻率較低，改善鍍層結(jié)晶的效果尚不理想，因此不宜用于（尤其對鍍層結(jié)晶要求較高的）貴金屬電鍍。

　　3.2.3 脈動脈沖換向

　　一組正向脈沖之后緊接著一組反向脈沖，即：正、反向脈沖均為群波而非單個波形，其波形，如圖2所示。

　　這種波形為典型的周期換向脈沖波形，在功能性電鍍生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛。相對于有關(guān)斷時間的單個脈沖換向，其克服了正、反向脈沖的導(dǎo)通、關(guān)斷時間選擇與正、反向脈沖的持續(xù)時間選擇發(fā)生沖突的缺點。相對于無關(guān)斷時間的單個脈沖換向，其克服了脈沖無關(guān)斷時間、改善鍍層結(jié)晶不理想的缺點。所以，脈動脈沖換向同時具有改善鍍層厚度分布和改善鍍層結(jié)晶狀況的雙重效果。

　　3.2.4 多組脈沖換向

　　多組脈沖換向簡稱多脈沖，其波形，如圖5所示。它是在脈動脈沖換向的基礎(chǔ)上增加可編程序功能，在每一個程序或時段內(nèi)采用的脈沖參數(shù)可各不相同。而普通的脈動脈沖換向，其各項參數(shù)調(diào)節(jié)好后，直到電鍍過程結(jié)束，便不再改變。

　　多組脈沖換向的優(yōu)點如下：

　?。?）各層間應(yīng)力相互抵消，鍍層脆性下降，抗疲勞強度增強;

　?。?）各層間多次重疊，則鍍層孔隙率降低，致密性、耐蝕性提高;

　?。?）各層間組分不同，有可能產(chǎn)生奇異的效果。

　　4middot;脈沖電鍍電源

　　脈沖電鍍電源是產(chǎn)生脈沖電流的電源，它一般先由基礎(chǔ)直流電源產(chǎn)生低紋波直流電流，然后再通過功率器件斬波形成脈沖電流。斬波電路可采用可控硅電子開關(guān)電路和晶體管轉(zhuǎn)換開關(guān)電路等。

　　4.1 脈沖電鍍電源的波形

　　圖1為理想的方波脈沖電流波形，但由于受脈沖電鍍電源內(nèi)部電感、電容等器件及外加負載的影響，實際應(yīng)用中的脈沖波形不可能如圖1所示。實際脈沖電鍍中的電流波形近似于梯形，可簡單地用圖6中的波形來表示。

　　在電鍍體系中，電極/溶液界面間的雙電層近似于一個平板電容器，板間具有很高的電容。當向該電鍍體系施加脈沖電流時，必須首先給雙電層充電。雙電層充滿電（脈沖電流密度從零增至峰值）需要一定的時間tc，脈沖電流密度不可能從零垂直增至峰值，而是需要一定的“爬坡”?！芭榔隆彼枰臅r間可簡單地視作脈沖的上升時間（確切的脈沖上升時間定義：脈沖電流密度由峰值電流密度的10%上升到90%所需要的時間），上升時間也稱作“上升沿”、“前沿”、“上沖”等。

　　當脈沖電流密度“爬坡”至峰值并持續(xù)一段時間tb后，開始進入關(guān)斷期。進入關(guān)斷期后，脈沖電鍍電源雖然停止向該電鍍體系供電，但雙電層放電（從滿電釋放至零）會使電流維持一段時間td。所以，此時脈沖電流密度不可能從峰值垂直下降至零，而是需要一定的“下坡”?！跋缕隆彼枰臅r間可簡單地視作脈沖的下降時間（確切的脈沖下降時間定義：脈沖電流密度由峰值電流密度的90%下降到10%所需要的時間），下降時間也稱作“下降沿”、“后沿”、“下沖”等。

　　正是由于脈沖前、后沿的客觀存在，使實際脈沖電鍍中的電流波形不可能是理想的方波，而是一種不規(guī)則的近似于梯形的波形。目前尚無法確知前、后沿對鍍層質(zhì)量的影響有多大，但可確知其存在會使脈沖電鍍瞬時高電位的有利作用得不到充分發(fā)揮。所以，脈沖電鍍中總是要求脈沖前、后沿盡可能小，一般要求前沿20~100μs，后沿30~100μs。其實，不應(yīng)只要求前、后沿大小，避免前、后沿大于（或等于）導(dǎo)通、關(guān)斷時間也很必要。否則，若前沿（遠）大于導(dǎo)通時間，后沿（遠）大于關(guān)斷時間，則鍍槽內(nèi)只能得到在平均電流附近變化的脈沖電流，即：脈沖電流實際變成了直流電流，其波形，如圖7所示。

　　4.2 脈沖電鍍電源的頻率

　　一般高頻脈沖定義為頻率大于5000Hz，低頻為頻率小于500Hz，中頻則在500~5000Hz之間。用于電鍍的脈沖電源多屬于中頻類型［2］。當使用頻率較低的脈沖電源時，其改善鍍層質(zhì)量的效果會稍差。所以，低頻脈沖電源多用于陽極氧化或其他工藝，而較少用于電鍍，尤其是貴金屬電鍍。當使用頻率較高的脈沖電鍍電源時，脈沖前、后沿極易對導(dǎo)通、關(guān)斷時間造成嚴重影響，從而影響脈沖電鍍瞬時高電位有利作用的充分發(fā)揮。例如：脈沖鍍金，頻率5000Hz（此時脈沖周期0.2ms），占空比20%，則導(dǎo)通時間為40μs，此時，假設(shè)脈沖前沿為最小的20μs（實際可能更大），則其比例至少占到了導(dǎo)通時間的50%;若頻率大于5000Hz，占空比小于20%（脈沖鍍金時占空比很多時候選10%），則前沿占導(dǎo)通時間的比例會更大，甚至前沿會大于導(dǎo)通時間，如此，脈沖電鍍改善鍍層結(jié)晶的作用肯定會受到嚴重影響。實際脈沖電鍍貴金屬生產(chǎn)中，頻率多在1000Hz左右。

　　當使用頻率更高的脈沖電源（上萬或幾萬Hz）時，其輸出的電流多是如圖7所示的電流波形，實質(zhì)是一種直流電流，與能夠改善鍍層結(jié)晶的方波脈沖電流有本質(zhì)的區(qū)別。

　　4.3 脈沖電鍍電源使用注意事項

　?。?）脈沖電鍍電源與鍍槽間導(dǎo)體的連接

　　脈沖電鍍電源與鍍槽間連線的電感阻滯了電流變化，導(dǎo)致通過鍍槽的脈沖電流上升時間延緩，引起脈沖波形畸變。采用短、粗、根數(shù)多的電纜線，且陰、陽極電纜線相絞而用，可盡量抵消電感效應(yīng)，減小脈沖波形失真度，提高鍍層質(zhì)量。

　　連線一般要求不超過2m，這使得脈沖電鍍電源距離鍍槽較近，從而增加了電源受腐蝕的幾率，使設(shè)備可靠性降低（脈沖電源比普通電源更不耐腐蝕）。比較可行的